外壓力下超硬材料BC-,2-N結(jié)構(gòu)與理想強(qiáng)度的第一性原理研究.pdf

1、本論文主要采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，研究新型輕元素超硬材料BC2N，并計(jì)算其結(jié)構(gòu)參數(shù)、電子能帶和理想強(qiáng)度、及其在外加壓力下的物理性質(zhì)。 第一、二章簡(jiǎn)單介紹了相關(guān)的研究背景與理論基礎(chǔ)知識(shí)。 第三章中我們結(jié)合總能和動(dòng)力學(xué)聲子的計(jì)算，研究不同立方相BC2N在外加壓力下的結(jié)構(gòu)相變和穩(wěn)定性。首先證明了不同的初始材料形式可以導(dǎo)致截然不同的合成途徑，產(chǎn)生出最終的產(chǎn)物有著完全不同的物理性質(zhì)。一種沒(méi)有B－B鍵和N－N鍵的高

2、密度立方相BC2N在高壓下顯示了出眾的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而一種包含斷裂N－N鍵的低密度低對(duì)稱性相則經(jīng)歷一個(gè)顯著的結(jié)構(gòu)變化過(guò)程：隨著壓力的增加，體積和鍵長(zhǎng)都發(fā)生坍縮并伴隨著從半金屬到半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，且先是間接帶隙然后是直接帶隙。該工作還澄清了合成和描述BC2N中一個(gè)疑惑的實(shí)驗(yàn)情形，通過(guò)聲子色散和聲速的計(jì)算結(jié)果同布里淵散射實(shí)驗(yàn)相比較，有力地確定了Solozhenko實(shí)驗(yàn)中得到的就是該低密度相結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果提供了對(duì)于立方相BC2N在高壓下的表現(xiàn)的全面

3、理解，并揭示了立方相BC2N的一些能在實(shí)驗(yàn)中加以驗(yàn)證的有趣性質(zhì)。 由于實(shí)驗(yàn)合成的低密度立方相BC2N在納米壓痕硬度測(cè)量中顯示了驚人的高硬度，這和它的低彈性模量形成鮮明的對(duì)比。在第四章中，我們通過(guò)第一性原理計(jì)算，同時(shí)考慮了硬度實(shí)驗(yàn)中壓頭下雙向應(yīng)力(垂直和切向應(yīng)力)的影響，證明了這個(gè)奇特的現(xiàn)象可以歸因于一種壓頭下的壓力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)硬化機(jī)理。它顯著地加強(qiáng)了連接切變面上的弱原子鍵，極大地增強(qiáng)了切變強(qiáng)度。雙向應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生的原子結(jié)構(gòu)斷裂模式

4、在性質(zhì)上不同于那些純切變應(yīng)力下的情況。這些結(jié)果對(duì)低密度立方相BC2N在多種實(shí)驗(yàn)中顯示的看似矛盾的結(jié)果首次提出了一個(gè)統(tǒng)一的理論解釋。該工作對(duì)利用納米刻壓技術(shù)研究材料硬度提供了一種可靠的理論計(jì)算方法。 第五章中我們檢驗(yàn)兩種高密度相BC2N在立方和石墨型結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)變以及它們的相對(duì)穩(wěn)定性，這兩種高密度立方相BC2N在一個(gè)大范圍的靜壓力下有幾乎相同的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)、熱力學(xué)和晶格動(dòng)力學(xué)性質(zhì)以及狀態(tài)方程。通過(guò)計(jì)算BC2N立方(或石墨型)

5、結(jié)構(gòu)沿不同晶體方向上鍵的斷開(或形成)的能量勢(shì)壘，可以清楚地區(qū)分這兩種相，由此對(duì)實(shí)驗(yàn)合成的高密度立方BC2N的結(jié)構(gòu)排布提供了重要的見解。我們還確定了一種石墨型結(jié)構(gòu)作為合成高密度立方相的一種可能初始物，由它可以合成所有立方BC2N結(jié)構(gòu)中具有最大強(qiáng)度的立方BC2N結(jié)構(gòu)。 第六章中我們首先建立了多種層狀石墨結(jié)構(gòu)BC2N的可能的堆垛形式，然后確定了四種穩(wěn)定的平衡結(jié)構(gòu)，并計(jì)算其電子能帶結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果清楚地表明了層狀石墨結(jié)構(gòu)BC2N間接帶隙